1

Inductoare

Inductorul sau bobina este o component pasiv de circuit pentru care n mod ideal ntre tensiunea la

bornele sale i curentul ce o parcurge exist relaia dtdiLu = , unde L[H] este inductana sau inductivitatea bobinei

i reprezint principalul parametru al acesteia. ntreruperea brusc a unui curent e valoare mare care circul printr-o bobin poate genera supratensiuni cu efect distructiv asupra altor elemente din circuit. n regim sinusoidal, curentul printr-un inductor ideal este defazat cu 90 n urma tensiunii. Inductoarele acumuleaz energie magnetic dac sunt parcurse de un curent electric, W=LI2/2. Din cauza numeroaselor variante existente este dificil clasificarea inductoarelor din punct de vedere constructiv sau al materialelor folosite. O clasificare foarte general se poate face n funcie de domeniul de frecven n care se utilizeaz. Principali parametrii ai inductoarelor sunt:

- inductivitatea L care poate fi definit i ca raportul dintre fluxul magnetic total i curentul care parcurge inductorul, L=/I.

- factorul de calitate Q, definit la o anume frecven de lucru ca raportul dintre puterea reactiv i puterea activ. Pierderile de putere sunt determinate de pierderile n conductoare, de pierderile n miezul magnetic i n rezistena de izolaie a nfurrilor.

- capacitatea parazit. Pentru orice inductor real fiecare spir acioneaz ca i armtura unui condensator, capacitatea parazit reprezentnd efectul combinat al capacitilor dintre spirele bobinei i dintre spire i punctul de mas. Modificarea cmpului magnetic n jurul unei nfurri afecteaz i o alt nfurare aflat n apropiere. Se spune c cele dou nfurri sunt caracterizate de o inductan mutual 21 LLkM = , unde k

2

puteri foarte mari se pot utiliza i conductoare cu seciune dreptunghiular, tubular sau din aluminiu. n domeniul frecvenelor nalte se folosesc conductoare liate sau din cupru argintat. Bobinajele se pot realiza ntr-un singur strat sau multistrat. Principalele tipuri de bobinaje simplu strat sunt cilindric i toroidal, ca n figura L1. Principalul dezavantaj al bobinajului cilindric este faptul c se creeaz n exterior un cmp magnetic perturbator de valoare mare. Acesta afecteaz componentele din jur i inductana se poate modifica sub influena maselor metalice din apropiere. Astfel principalul avantaj al bobinajului toroidal este micorarea semnificativ a cmpului de dispersie perturbator. ns pentru aceeai inductan ca i n cazul unui bobinaj cilindric, rezistena bobinei n curent continuu este mai mare.

i bobinajele multistrat pot fi cilindrice sau toroidale. Scopul acestora este creterea inductanei prin mrirea numrului de spire. Cele cilindrice pot fi de tip spir dup spir, cilindric secionat, piramidal, sau de tip fagure, ca i n figura L2.

Bobinajul cilindric spir dup spir se realizeaz pe carcase tubulare avnd flane la extremiti pentru a evita alunecarea spirelor. Principalele dezavantaje sunt creterea capacitii parazite i faptul c exist posibilitatea strpungerii electrice ntre spirele care vin n contact la extremitile straturilor, din cauza diferenelor mari de potenial ce pot s apar. Pentru evitarea strpungerii se pot utiliza straturi intermediare de izolaie din hrtie de condensator sau folii plastice, ns se va micora inductana bobinei. n cazul bobinajului cu flane intermediare fiecare seciune are un numr mai mic de spire, deci capacitile parazite sunt mai mici. n plus acestea sunt conectate n serie, astfel c ar loc o micorare semnificativ a capacitii parazite total. Bobinajul piramidal se recomand n cazul inductanelor de valori mari are lucreaz la tensiuni ridicate, cum este de exemplu cazul transformatoarelor de impulsuri. Prin acest bobinaj se evit apropierea unor spire cu diferene mari de potenial ntre ele. Bobinajul de tip fagure pe lng faptul c evit i acesta strpungerea ntre spire, datorit faptului c acestea nu sunt paralele ofer i o capacitate parazit de valoare mic. Bobinele multistrat se pot realiza i fr carcas atunci cnd este necesar o anumit form geometric, cum este cazul bobinelor de deflexie din cadrul tuburilor cinescop. n acest caz rigidizarea nfurrii se realizeaz prin impregnare. Carcasa constituie suportul pe care se nfoar conductorul. Are o form tubular cu seciune circular sau dreptunghiular. Trebuie s asigure o rezisten mecanic suficient, s permit o bobinare uoar i fixarea simpl a miezului magnetic. Materialele din care se realizeaz trebuie s fie bune izolatoare, cu rigiditate dielectric mare,

a b

c d

Figura L2 Tipuri de bobinaje multistrat a)cilindric spir dup spir b) cilindric secionat c)

piramidal d) de tip fagure

3

tangenta unghiului de pierderi mic, iar parametrii s fie stabili n timp i la variaii de temperatur i umiditate. Pentru frecvene joase se utilizeaz carton, textolit sau bachelit, iar la frecvene nalte polistiren, teflon, polietilen. Cele mai performante sunt ns carcasele din materiale ceramice, singurul dezavantaj fiind faptul c sunt casante. Uneori se utilizeaz i carcase metalice din aluminiu care e oxidat la suprafa pentru a se asigura izolarea necesar. Miezul magnetic intr n componena majoritii inductoarelor deoarece permite obinerea unor inductane mai mari. Prin deplasarea anumitor tipuri miezuri n interiorul carcaselor se poate modifica valoarea inductanelor ntre anumite limite. Existena unui ntrefier va avea ca rezultat o stabilitate mai mare a inductanei la aciunea unor factori externi i permite creterea curentului limit prin nfurare astfel nct s se evite saturaia miezului. La frecvene joase se utilizeaz miezuri feromagnetice, iar la frecvene nalte se utilizeaz miezuri ferimagnetice. Pentru frecvene foarte nalte nu exist un material corespunztor astfel nct este necesar realizarea bobinelor fr miez magnetic. Miezurile feromagnetice se realizeaz din materiale feromagnetice moi, att la frecvena reelei de alimentare ct i n domeniul frecvenelor audio. De obicei se realizeaz din pachete de tole sau benzi. Tolele sunt plcue subiri, izolate electric ntre ele pentru a se micora pierderile prin cureni turbionari, au dimensiuni standardizate i pot fi de tip U, E sau I. Miezurile se realizeaz din combinaii de tipul E+I sau U+I. Prin mpachetarea acestora rezult miezul compact, avnd seciunea necesar, ca n figura L3. Pentru miezurile de tip E+I, numite i miezuri n manta, bobina se plaseaz pe coloana central. n cazul transformatoarelor se bobineaz nfurarea primar, peste aceasta realizndu-se apoi nfurarea secundar. Pentru miezurile de tip U+I, numite i miezuri n coloane, cele dou nfurri pot fi plasate pe coloane diferite. Dezavantajul miezurilor n colane este acela c genereaz un flux de dispersie mai mare dect miezurile n manta. Tolele de tip E sau U nu pot utiliza integral proprietile magnetice ale materialului. Zonele haurate din figura L3 sunt zone n care liniile de cmp nu sunt orientate dup direcia de cea mai uoar magnetizare. Pentru a corecta acest fapt se utilizeaz miezuri din benzi magnetice, care sunt tiate n lungul direciei cu cea mai uoar. Astfel se poate crete frecvena de lucru a miezului i pot fi evitate ecranele electromagnetice.

La frecvene nalte se utilizeaz miezuri compacte, obinute prin presarea unor pulberi ferimagnetice moi. Principalul dezavantaj este faptul c sunt casante. Se realizeaz ntr-o mare diversitate de forme, fiind uzuale cele

E+I U+I

Figura L3 Realizarea miezurilor din tole feromagnetice

a

b

Figura L4 Miezuri ferimagnetice a) de tip toroidal b) de tip E

4

de tip E sau U, care pot avea seciunea dreptunghiular sau cilindric, miezurile de tip oal, cele toroidale, tubulare, etc. n figura L4 sunt prezentate un miez toroidal i unul de tip E. Deoarece exist o mare diversitate de forme geometrice a miezurilor magnetice n foile de catalog ale productorilor exist o serie de parametrii care permit proiectarea rapid a diverselor tipuri de circuite magnetice. Dimensiunile efective ale miezului (aria, volumul, lungimea) definesc un miez toroidal ipotetic, ce are aceleai proprieti magnetice ca i miezul magnetic de form neregulat. Factorul de inductan AL reprezint inductana pe care o are bobina cu o singur spir, realizat pe miezul respectiv. Pe lng aceti parametri, n funcie de materialul utilizat, n cataloagele productorilor se mai gsesc i permeabilitatea magnetic, inducia cmpului magnetic de saturaie, inducia remanent, intensitatea cmpului magnetic coercitiv, tangenta unghiului de pierderi, rezistivitatea materialului. Orice inductor se poate cupla inductiv prin cmp magnetic sau capacitiv sau prin cmp electric cu diferite generatoare sau receptoare de semnal parazit. Reducerea acestor cuplaje nedorite se face prin protejarea bobinelor cu ecrane conectate la punctul de mas. Pentru frecvene joase se utilizeaz materiale feromagnetice cu permitivitate relativ mare (permalloy). La frecvene mari se utilizeaz materiale care sunt bune conductoare (Al). Plasnd bobina n interiorul unui ecran fr contat ntre acesta i miez, se obine o ecranare cu att mai bun cu ct ecranul este mai deprtat de miez. Ecranarea este mai eficient dac peretele ecranului este realizat din mai multe straturi . Orice ecran magnetic complet nchis este i un ecran electrostatic care reduce tensiunile parazite datorate cuplajelor capacitive. Stabilitatea bobinei ecranate este mai redus dect n cazul bobinei neecranate. Dac ntre ecran i bobin se plaseaz un cilindru ferimagnetic se reduce cuplajul inductive cu ecranul, fiind astfel posibil reducerea dimensiunilor ansamblului ecran inductor. Spre deosebire de celelalte componente pasive, inductoarele nu sunt disponibile ntr-o form standardizat pentru orice aplicaie. Numrul mare de parametri ce caracterizeaz o component magnetic face nerentabil producerea i stocarea unui numr mare din diverse tipuri de inductoare necesare pentru orice circuit electronic. Pentru unele aplicaii specifice pentru care se realizeaz circuite electronice de acelai tip n cantiti foarte mari, cum ar fi sursele de alimentare a calculatoarelor de tip PC unii productori ofer inductoare i transformatoare n producie de serie mare. De asemenea miniaturizarea circuitelor electronice i utilizarea frecvenelor tot mai mari n sistemele de telefonie mobil i cele de tip GPS a determinat necesitatea produciei de serie mare a inductoarelor de tip chip i integrate pentru circuitele realizate n tehnologia SMD. Pentru o multitudine de aplicaii ns, inductoarele se proiecteaz de ctre utilizator i se realizeaz n serii relativ mici, n funcie de necesiti.